MPPT控制器的線性自抗擾控制

郭睿 任一峰 衛芃毅 欒天

摘? 要： 光伏并網發電系統極易受到外部環境的影響，并且抗干擾能力較差。環境改變、電網不穩定或參數難以確定等原因都會對電能輸出效率和其工作效率造成很大影響。針對光伏系統的這些特性，提出一種線性自抗擾控制器對電流進行控制。采用擴張狀態觀測器對擾動進行補償，從而快速消除擾動，達到平和狀態，使系統對擾動有著很好的適應能力。為了驗證該算法的有效性，通過Matlab/Simulink仿真表明，加入自抗擾控制器能夠明顯提高光伏并網系統的跟蹤速度和控制性能，降低了功率震蕩，在外界環境突變的情況下，也能夠達到很好的效果。

關鍵詞： 線性自抗擾控制器; MPPT控制器; 光伏發電; 擴張狀態觀測器; 二階自抗擾系統; 功率震蕩

中圖分類號： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）03?0109?03

MPPT controller based on linear active disturbance rejection control

GUO Rui， REN Yifeng， WEI Pengyi， LUAN Tian

（School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： The photovoltaic grid?connected power generation system is vulnerable to the impact of external environment， resulting poor anti?interference ability. Environmental changes， instable grids or uncertain parameters will have a great impact on the power output efficiency and the work efficiency. In view of the above characteristics of photovoltaic system， a linear active disturbance rejection controller （LADRC） is proposed to control the current. An extended state observer is used to make compensation to the disturbance， thus to quickly eliminate the disturbance and reach a peaceful state， which make the system well adaptable to the disturbance. The matlab/simulink simulation experiments are performed to verify the effectiveness of the algorithm. The results show that adding ADRC can significantly improve the tracking speed and control performance of photovoltaic grid?connected system， reduce power oscillation， and achieve good effect even in the case that the external environment changes unexpectedly.

Keywords： linear active disturbance rejection controller; MPPT controller; photovoltaic power generation; extended state observer; second order ADRC system; power

oscillation

0? 引? 言

光伏發電作為一種清潔能源，受到了廣泛的關注。近年來光伏發電有著長足的進步，但仍有進步的空間[1?2]。在發電過程中，由于烏云、光伏組件異物、溫度等，會使得光伏發電產生波動，導致發電效率降低。傳統的MPPT控制算法如爬坡法、擾動觀察法[3]都能在平穩的條件下使系統工作在最大功率點附近，但是卻無法有效解決外界擾動帶來的影響[4]。

使用太陽能進行光伏發電是社會實現零污染發電的關鍵技術所在，其相關技術的發展對于推動光伏行業的發展具有很強的作用與重要意義。本文以光伏發電中的核心技術即并網控制為出發點，由于存在系統穩定性不好，容易受到外部環境干擾的特性，把自抗擾控制廣泛應用于并網控制中，并對其抗擾性能展開了深入研究。

如今有眾多的智能控制算法。其中，自抗擾控制是一種新型的控制方法，其優點是結構簡單且易于實現，響應速度快，超調小和魯棒性強[5]。核心思想是不依賴于控制對象的數學模型，只需知道控制對象的階次即可設計控制器。ADRC是一種非線性控制理論，主要由安排過渡過程、非線性誤差反饋控制率和擴張狀態觀測器所組成[6]。擴張狀態觀測器可以實時估計系統的不確定性及外擾，然后用前饋補償的方式消除干擾。將自抗擾應用到MPPT中，光伏發電系統的光能利用率和抗干擾能力得到了顯著的提高[7]。

1? 光伏電池特性

光伏電池的理想等效電路如圖1所示[8]。

其輸出特性為：

式中：[I]為光伏組件輸出電流;[V]為光伏組件輸出電壓;[Iph]為光生電流;[Rs]為等效串聯電阻;[Rsh]為等效并聯電阻;[I0]為反向飽和電流;[q]為電子電荷量（1.6×10-19 C/m2）;[n]為二極管特性因子;[k]為玻爾茲曼常數（1.38×10-23 J/K）;[T]為光伏組件熱力學溫度[9]（[T=273.15+t]，[t]為攝氏度）。

使用Matlab/Simulink對光伏電池理想等效電路建模，得到[P?V]，[I?V]仿真曲線，如圖2a），圖2b）所示。

由圖2中可以看出MPPT特性為：輸出功率存在唯一最大值點，隨著電壓的增加先增大后減小，整個輸出呈現很強的非線性[9?10]。

2? 自抗擾與MPPT控制器設計

2.1? 光伏系統建模

選用BOOST變換器為系統拓撲電路[11]，光伏系統結構如圖3所示。

一般的MPPT控制方法如電導增量法，其實是使用[ΔIΔV]替代[IV]的過程，這樣不可避免地損失一部分精度。

對于某一個系統[y=f（x）]，通常使用式（3）中括號里的第二項為時間常數的慣性環節，第一項表示直接傳遞輸入信號到輸出的過程[12]。

那么有：

式中：[v（t）]，[y（t）]分別是微分器的輸入和輸出。當輸入信號含有隨機噪聲時：

隨著[τ]的減小，[y（t）]受到的干擾會越來越嚴重，太大又無法獲取微分信號;綜上，可以采用兩個跟蹤微分器分別得到電流和電壓對時間的微分信號[13?14]。

2.2? MPPT控制器

系統輸入電壓[Ud]與給定[Uref]相比較，得到的誤差作為線性自抗擾的輸入進行控制調節，得到電流的指定幅值[Iref]，與實際輸出電流[is]相比較，做PI控制，與檢測到的[Us]相加，得到SPWM的控制信號，進而控制逆變器IGBT的通斷，其控制框圖如圖4所示。

線性自抗擾LADRC由擾動補償、線性狀態觀測器、線性誤差反饋率構成，由上述控制策略設計的二階自抗擾控制系統如圖5所示。

PD控制器：

擴張狀態觀測器LESO如下：

擾動補償：

式中：[Z1]為輸出的估計;[Z2]為輸出微分的估計;[Z3]為系統擾動的估計;[Kp]，[Kd]為PD控制器參數;[b0]為擾動因子。

3? 仿真實驗結果

由得到的基于自抗擾的MPPT算法結構，利用Matlab/Simulink平臺對系統進行仿真，選取MPPT控制器參數為：[w0=]700，[wc=]300，[b=10]。在溫度為[t=]25 ℃，光照強度[S=]1 000 W/m2的環境下仿真。結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，若只使用電導增量法，系統達到最大功率1 220 W所需時間多于自抗擾，可見，本文所設計的MPPT控制器能夠減少跟蹤時間，減少功率震蕩。

當外界環境發生突變時，改變光照條件在0.5 s時從[S=]1 000 W/m2突變至[S=]800 W/m2，光伏發電系統仿真結果如圖7所示。

自抗擾的存在能夠很好地改善當外界環境進行突變時帶來的影響，可以看出，0.5 s時改變外界環境，系統很快達到新的穩定，減少了功率震蕩。

4? 結? 語

本文設計的基于線性自抗擾的MPPT控制器，與傳統的電導增量法相比較，能夠很好地抑制功率震蕩，提高了響應速度，在外界環境突變時，能夠更快地使系統回到穩定，具有很好的魯棒性。

參考文獻

[1]? 吳大忠，王曉偉.一種光伏MPPT模糊控制算法研究[J].太陽能學報，2011，32（6）：808?813.

[2] 徐曉寧，周雪松，馬幼捷，等.基于自抗擾控制技術的微網運行控制器[J].高電壓技術，2016，42（10）：3336?3346.

[3] 周東寶，陳淵睿.基于改進型變步長電導增量法的最大功率點跟蹤策略[J].電網技術，2015，39（6）：1491?1498.

[4] 張樂樂，趙巧娥，石慧.基于微元面積的光伏最大功率跟蹤研究[J].廣東電力，2016，29（4）：29?33.

[5] 陳增強，孫明瑋，楊瑞光.線性自抗擾控制器的穩定性研究[J].自動化學報，2013，39（5）：574?580.

[6] 李杰，齊曉慧，夏元清，等.二階系統自抗擾控制律分析及改進[J].系統科學與數學，2016，36（10）：1513?1523.

[7] 高志強，李松，周雪松，等.線性自抗擾在光伏發電系統MPPT中的應用[J].電力系統保護與控制，2018，46（15）：52?59.

[8] 劉振永，孫建起.基于模糊自適應PID的光伏電池MPPT研究[J].可再生能源，2015，33（6）：834?838.

[9] 喬穎碩，周健，王波，等.光伏MPPT拓撲電路與控制策略仿真研究[J].電源技術，2018，42（10）：1559?1562.

[10] 孟超，趙咪，周偉績.光伏發電系統的MPPT優化控制與仿真研究[J].計算機仿真，2019，36（3）：128?132.

[11] 蔡小慶，陳曉芳.改進型擾動觀察法在光伏發電MPPT中的應用[J].電子測試，2019（1）：59?60.

[12] 陳維榮，王偉穎，鄭義斌，等.局部陰影光伏發電系統中基于改進PSO的MPPT控制[J].西南交通大學學報，2018，53（6）：1095?1101.

[13] 陳娟，江天博，楊奕，等.基于MPPT的單相光伏并網發電系統仿真研究[J].電源技術，2014，38（12）：2405?2407.

[14] 蔡紀鶴，李蓓，廉春原，等.光伏發電系統MPPT控制及其實驗研究[J].電源技術，2016，40（5）：1049?1051.